利用相位差异法检测镜面面形

为了验证相位差异波前检测器演示系统利用自带光源独立完成波前检测任务的能力,搭建了基于相位差异法检测镜面面形的实验平台。测试时在焦面和离焦面上同时采集短曝光图像,在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标,从而实现对大镜面像差的估计。为了进一步验证相位差异测量方法的准确性,对相位差异法与高精度的ZYGO干涉仪得到的测量结果进行了比较分析。实验结果表明:两种方法获得的面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)一致性很好,而波前RMS的测量精度达到了2.83/1 000λ。得到的结果表明提出的相位差异法能有效地检测出镜面的像差,且准确性很好。     

数字莫尔移相干涉仪误差多点标定与修正研究

干涉测量在现有的光学元件面形检测方法中具有测量精度高的优势,应用相对广泛。但干涉仪元件的加工和装调误差会降低面形检测精度。提出一种利用夏克哈特曼波前传感器对实际干涉仪系统进行多点标定的方法,利用波前标定数据在光学设计软件ZEMAX中实现对虚拟干涉仪系统的修正,结合数字莫尔移相算法,消除实际干涉仪加工和装调误差的影响。选取平面镜和可变形镜作为待测镜分别进行面形测量实验,结果表明,标定和修正后的数字莫尔移相干涉仪系统检测精度提高,与Zygo干涉仪的检测结果相比,面形趋势保持一致且峰谷值(PV)值误差相差在0.07λ(λ=532 nm)以内。     

大口径离轴长条形反射镜的检测支撑机构

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法,分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势,确定了最优支撑间隔。最后,利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测,验证了仿真分析的可靠性。结果表明:在支撑间隔为564mm时,由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26nm),干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符,仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好,可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中,为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。     

0.5m超薄镜主动支撑面形校正及实验

为了研究主动支撑条件对超薄镜面形误差的校正能力,以一个直径0.5m的超薄镜为例进行了面形校正的仿真分析及实验验证。分析了致动器作用力与超薄镜面形的关系,引入了一些需校正的面形误差,如初级球差、慧差、像散及重力变形等,确定了致动器作用力的优化目标,用求解非线性约束问题的优化算法——序列二次规划法计算了校正面形误差所需的致动器作用力,得到了超薄镜面形残余误差。仿真分析表明,对于归一化系数为1的初始球差、慧差、像散以及它们的叠加,用本文提供的致动器排布方式可以将面形误差校正到RMSλ/24以内,且对初级像散的校正能力最强,慧差和球差次之;竖直放置时的重力变形加上3种低阶像差的叠加也可被校正到RMSλ/24。在得到主动支撑的0.5m实验镜的初始面形结果后,重新计算了优化力和面形误差,结果表明,计算结果和实际装调结果基本一致,RMS约为λ/7。计算分析了超薄镜面形未能达到预期目标的原因,提出了适当增加致动器和提高超薄镜初始面形精度的改进方案,并最终使超薄镜面形达到RMSλ/20的要求。     

大型镜面与高次非球面检验和计算机显示

本文提出8米级大型镜面采用双频激光干涉仪系统检验,1.5米级高次非球面用光栅测量系统,细磨表面用滚动触头,精抛表面用喷气触头检验,对精抛面也可用计算机全息干涉法检验,测后数据经计算机处理后,画出立体误差面形与等高线图,便于加工者直观地根据镜面误差进行加工修正。     

高陡度保形光学镜面的坐标测量

针对高陡度保形光学镜面的检测,提出了基于多段拼接的光学镜面坐标测量方法。该方法将保形光学镜面轮廓的测量分割为具有一定重叠区域的数段较短的面形轮廓的测量,通过测量系统与被测工件之间的相对旋转与平移运动调整被测工件的姿态实现分段轮廓的测量。然后使用拼接算法将各段面形轮廓拼接起来,重构出被测工件的面形误差。建立了该坐标测量法的数学模型,提出了基于最小二乘的迭代拼接算法,并在Matlab下对测量算法进行了仿真。开发了高精度的测量试验系统并分别在VC与Matlab下编写了测控软件与数据分析软件。对一口径为120mm,长径比为1.2的椭球形保形头罩进行了实测试验。仿真与测量试验表明,上述方法能够高精度地重构出面形轮廓,方法简单,实用。     

塔式太阳能定日镜子镜面形精度和聚光性能评价的新方法

应用自行研制的基于法线测量原理的定日镜子镜面形检测系统,检测了用于100m2定日镜的1.5625 m2的正方形子镜,并基于能流分布仿真分析方法对子镜面形精度和聚光性能进行了评价.这种评价方法是采用激光束偏转测角法获取被测子镜的法线数据,用计算机仿真方法,对入射阳光进行光线追击,可以分析出子镜在任意时空位置的聚光性能.经与实际聚光光斑能流测量数据比对,检测分析数据与对实际日光跟踪聚光数据实测数据一致,可应用于子镜面形的在线调整.     

被测件随机移相干涉面形测量方法

针对光学元件的面形测量,提出了一种被测件随机移相干涉面形测量法,用于降低移相干涉仪的成本,避免移相器老化产生的移相误差对面形检测精度的影响。该方法利用微位移驱动器驱动被测件在摩擦气浮复合导轨上移动进行随机移相并用相机采集若干幅干涉图;然后利用最小二乘迭代算法处理干涉图数据进而迭代出被测表面相位分布;最后进行一系列数据处理求解出被测件的面形结果。为了验证该方法的可行性,在实验室搭建了改进的斐索移相干涉系统,并选用一个凹面镜和一个平面镜作为被测件在搭建的系统上进行了实验测试,同时与同台仪器上的传统移相方法得到的测量结果进行了比对。结果表明:在激光光源波长λ为632.8nm的情况下,凹球面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式测量结果相差0.001λ,和0.002λ;平面镜面形PV值和RMS值与传统移相方式的测量结果相差0.002λ和0.003λ,面形数据基本一致。该方法避免了移相器老化引入移相误差,降低了仪器成本,测量精度高。     

使用红外干涉仪测量非球面面形

提出用红外干涉仪在长波工作(λ=10.6μm)的优点检测非球面面形。首先,通过移相算法,使用泰曼型红外干涉仪测量出非球面与标准拟合球面之间的波像差;然后,根据非球面的矢高方程计算出非球面与标准拟合球面之间波像差的理论值,通过比较这两个值,计算出非球面的面形偏差。实验结果表明,使用红外干涉仪测量的非球面与标准拟合球面之间的波像差为8.64μm(PV),与理论波像差(8.11μm)比较接近,测得非球面面形偏差为1.20μm(PV)。为了验证这一方法的准确性,使用计算全息图(CGH)作为补偿镜在可见光干涉仪上测量了同一块非球面,两者测量结果比较吻合。结果表明,此方法有比较强的通用性,可以用于非球面在加工过程中的测试。     

用干涉条纹图像重建反射镜的三维面形

给出了用干涉条纹图像重建反射镜三维面形的方法,用泰曼-格林干涉仪采集被测镜面的干涉条纹图像,通过对干涉条纹图像进行处理得到镜面高度采样,采用泽尼克多项式拟合镜面的曲面函数,测量到了镜面的三维高度数据。干涉条纹图像上相邻条纹与参考面之间的距离相差一个标准光源波长,因而该测量方法的关键是得到条纹波峰或波谷的精确位置,从而达到了镜面相对高度的采样的目的。采用巴特沃斯低通滤波对条纹图像进行滤波,去掉噪声的影响,然后对图像二值化分割出亮条纹,用数学形态法对二值条纹图像细化得到条纹的中心线,结果表明,低通滤波方法能有效地减少细化条纹的分支和断裂。最后定义每条条纹中心线的相对高度,利用前39项泽尼克多项式对镜面高度进行最小二乘法拟合,计算了镜面被测区域的曲面高度数据。该方法可以用来测量强激光引起的镜面热变形。     

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜.研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件.为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8 nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ.对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性.     

Multi-probe scanning system comprising three laser interferometers and one autocollimator for measuring flat bar mirror profile with nanometer accuracy

This paper describes a multi-probe scanning system comprising three laser interferometers and one autocollimator to measure a flat bar mirror profile with nanometer accuracy. The laser interferometers probe the surface of the flat bar mirror that is fixed on top of a scanning stage, while the autocollimator simultaneously measures the yaw error of the scanning stage. The flat bar mirror profile and horizontal straightness motion error are reconstructed by an application of simultaneous linear equations and least-squares method. Measurement uncertainties of the flat bar mirror profile were numerically evaluated for different installation distances between the laser interferometers. The average measurement uncertainty was found to be only 10 nm with installation distances of 10 and 21 mm between the first and second, and first and third interferometers, respectively. To validate the simulation results, a prototype system was built using an X–Y linear stage driven by a stepper motor with steps of 1 mm along the X direction. Experiments were conducted with fixed interferometers distances of 10 and 21 mm, as in the simulation, on a flat bar mirror with a profile known to an accuracy of λ = 632.8 nm. The average value of two standard deviations (95%) of the profile calculated over ten experiments was approximately 10 nm. Other results from the experiment showed that the system can also measure the yaw and horizontal straightness motion errors successfully at a high horizontal resolution. Comparing with the results measured by ZYGO's interferometer, our measured data excluding some edge points showed agreement to within approximately 10 nm. Therefore, we concluded that our measurement profile has an accuracy in the nanometer range.     

Development of high-precision micro-coordinate measuring machine: Multi-probe measurement system for measuring yaw and straightness motion error of XY linear stage

Today, with the development of microsystem technologies, demands for three-dimensional (3D) metrologies for microsystem components have increased. High-accuracy micro-coordinate measuring machines (micro-CMMs) have been developed to satisfy these demands. A high-precision micro-CMM (M-CMM) is currently under development at the National Metrology Institute of Japan in the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), in collaboration with the University of Tokyo. The moving volume of the M-CMM is 160 mm × 160 mm × 100 mm (XYZ), and our aim is to achieve 50-nm measurement uncertainty with a measuring volume of 30 mm × 30 mm × 10 mm (XYZ). The M-CMM configuration comprises three main parts: a cross XY-axis, a separate Z-axis, and a changeable probe unit. We have designed a multi-probe measurement system to evaluate the motion accuracy of each stage of the M-CMM. In the measurement system, one autocollimator measures the yaw error of the moving stage, while two laser interferometers simultaneously probe the surface of a reference bar mirror that is fixed on top of an XY linear stage. The straightness motion error and the reference bar mirror profile are reconstructed by the application of simultaneous linear equations and least-squares methods. In this paper, we have discussed the simulation results of the uncertainty value of the multi-probe measurement method using different intervals and standard deviations of the laser interferometers. We also conducted pre-experiments of the multi-probe measurement method for evaluating the motion errors of the XY linear stage based on a stepper motor system. The results from the pre-experiment verify that the multi-probe measurement method performs the yaw and straightness motion error measurement extremely well. Comparisons with the simulation results demonstrate that the multi-probe measurement method can also measure the reference bar mirror profile with a small standard deviation of 10 nm.     

子孔径拼接干涉的快速调整及测量

考虑高精度子孔径拼接干涉测量技术对自动化拼接的要求,提出了一种子孔径零条纹自动快速调节方法。分析了干涉条纹数量对拼接误差的影响,分析显示:当子孔径干涉条纹数量少于5条时,干涉仪回程误差小于λ/50(PV值)。对子孔径拼接测量装置进行了结构优化,提出了拼接位移台角位移偏差自动补偿方法,实现了各个子孔径的零条纹测量,进而控制了子孔径拼接的累积误差。对450mm×60mm长条镜进行了子孔径拼接干涉测量,结果表明:自动测量结果与手动调整零条纹测量结果在面形分布上更为一致;但前者测量速度及测量效率都有所提高,测量时间平均减少5min。提出的方法不仅能完成干涉拼接测量装置的自动定位及自动快速调整,还提高了测量重复性与检测效率。     

齿轮误差三维评定方法

研究了齿轮误差三维评定方法,以消除测量仪器定位误差对齿轮误差评定的影响,提高齿轮测量仪器的测量精度。分析了传统齿轮二维评定方法的弊端,提出将齿轮误差评定从二维评定模式转变为三维评定模式。该评定模式不再要求齿轮各项误差测量点位于特征面内,实现了三维空间内的齿轮误差测量与评定。为提高齿轮三维误差评定算法的效率,通过螺旋降维方法将三维数据降至二维数据,再对二维测量数据进行各项误差的评定。以特大型齿轮激光跟踪在位测量系统作为实验对象,对4级标准齿轮的齿廓误差进行了测量,并与传统的齿轮二维误差评定方法以及德国ZEISS公司InvolutePro软件的评定结果进行了对比。结果表明:传统齿轮二维误差评定方法有较大误差,三维齿廓评定方法与德国ZEISS公司InvolutePro软件评定结果一致,精度达到0.1μm,证明了提出的齿廓误差三维评定方法完全正确,可以消除仪器定位误差对测量结果的影响,提高了测量仪器的测量精度。     

超精密级二维工作台的自标定

为了提高超精密级二维工作台的运动定位精度,提出了一种实现工作台系统误差分离的二维自标定算法.基于工作台测量误差模型,该算法利用辅助标记板的5个不同测量位姿,分别得到迭代模型和迭代初始值,最终建立完整的迭代二维自标定模型.应用该算法对系统误差为0.2 μm的二维工作台进行仿真,结果显示:当不存在随机测量噪声时,标定精度为0.33 nm;引入随机测量噪声时,标定精度与噪声同一量级.对x、y向给定测量精度分别为2.98 μm和3.22μm的二维工作台进行自标定,得到x、y向测量精度分别为2.59 μm和3.14 μm.提出的自标定算法对随机测量噪声有很好的鲁棒性,能够用于精密或超精密级二维工作台自标定.     

“高分二号”上相机和星敏感器相对安装姿态的测量

为了精确测量"高分二号"(GF-2)卫星上相机和星敏感器的相对安装姿态,建立了一套高精度自动化测量系统。针对该系统研究了基于多传感器数据融合的高精度测量算法、基于理论安装数据驱动的自动测量模型、以及基于图像识别的立方镜法线搜索算法。该测量系统主要由二维龙门导轨、精密转台和CCD成像辅助准直的自准直经纬仪构成,通过融合精密转台的转动角度、自准直经纬仪的俯仰角和偏航角等数据计算被测设备安装姿态角度。测量时需先对系统进行标定,制定自动测量规划,然后通过电机驱动使设备自动到达预定位置和角度进行测量。若星上设备安装偏差较大导致被测对象超出自准直经纬仪测量范围时,可启动CCD相机对被测对象局部区域进行搜索识别,并引导自准直经纬仪实现精确准直测量。对测量系统进行了实验验证,结果显示:该系统姿态测量精度可以达到5″,与标准值比对最大偏差为4.1″;该测量系统已用于GF-2卫星的相机和星敏器相对姿态测量中,重复标准差最大为3.5″,满足GF-2对机上设备安装姿态测量精度的需求。     

基于影像测量法的渐开线圆柱直齿轮齿形误差评定新方法

针对现行齿形误差测量方法误差来源多、存在评定原理误差等缺点,提出一种利用JT12A-A型数字式投影仪采集测量数据,实现渐开线圆柱直齿轮齿形误差评定的新方法。理论分析和实验结果表明,该方法具有数据采集精度高、测量过程人工干预少、评定方法不存在原理误差、评定精度高等优点。     

激光测量几何误差补偿算法

激光技术作为重要的测量手段,已经被广泛的应用到精密运动控制系统中。激光测量误差直接影响到运动控制系统的控制精度,其中阿贝与余弦误差等几何误差对激光测量精度影响显著,在精密运动控制中必须予以补偿与校正。以精密运动台多维激光测量模型为基础,介绍了阿贝与余弦误差产生原因。在不考虑激光干涉仪的加工和安装误差的情况下,推导了运动台存在倾斜角度下的阿贝与余弦误差计算模型,在此基础上给出了激光测量数据误差补偿模型,以实现测量数据的实时补偿与修正。算法已经成功应用在实例中,表明该算法的有效性与可靠性。     

大型空间反射镜发射率测量及误差分析

为了准确测定空间相机主镜毛坯件的表面发射率以便定量分析相机热控效果,本文在分析热像仪测温原理的基础上,利用现有测量条件,提出一种利用两种已知发射率材料作为参考的发射率测量方法.根据测量试验,得到主镜表面发射率为0.565.为定量反映各因素对测量精度的影响,对测量公式进行了误差分析.分析结果表明,与被测件表面发射率接近的材料的热像仪测温误差及发射率标称误差对测量精度有较大影响,同时得到本次试验因热像仪测温误差及参考材料发射率标称误差带来的测量误差为±0.028.最后,结合相机热平衡试验的数据对测量结果进行了验证,结果表明测量得到的主反射镜的发射率基本反映了热平衡试验的主镜表面状态,证明本文的方法对主反射镜发射率的测量是适用有效的.